CN103293069B - 多向高能高速电磁力冲击智能控制试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多向高能高速电磁力冲击智能控制试验装置及方法。该装置包括电磁铁组件、撞击杆、外套筒、电磁加速线圈组和冲击锤；电磁铁组件、撞击杆与冲击锤分别设于外套筒上方、筒内与筒下方，撞击杆外周所设的多级电磁加速线圈分别外接电路控制系统。其方法是在撞击杆运动过程中，通过多级电磁加速线圈依次电磁作用来实现加速，提高并可调整其冲击能量及速度；通过底座与电磁铁组件实现冲击的任意向设定及限位。本装置及方法采用电磁式分级加速撞击杆，可有效提高及调整撞击杆冲击速度和冲击能量且其方向可按需设定，已实现冲击力为冲击锤重量1000倍以上，最大达近3000倍，动力源为市电，使其较好地应用于土木工程领域固体介质测试。

Description

多向高能高速电磁力冲击智能控制试验装置及方法

技术领域

本发明涉及土木工程用的固体材料冲击技术，特别涉及一种多向高能高速电磁力冲击智能控制试验装置及方法。

背景技术

在土木工程领域中，材料及结构在冲击载荷下的力学响应与静载荷下的力学响应有着显著不同的特征，在工程等实际问题中，冲击会带来严重的破坏性。冲击所涉及的问题十分广泛（如：冲击载荷下的力学响应特征是建立动力本构关系、力学分析与合理进行工程设计的基础，也是各种模拟仿真技术中材料模型及材料属性数据依据），因此，材料及结构在冲击载荷下的物理力学行为试验已经成为土木工程不可缺少的技术手段，并越来越受到高度重视与亟待进一步发展的基本试验。

目前冲击试验的种类有如下几种基本类型：

1、空气炮法，即利用气压的压差原理实现放炮。该方法由于需要的气压源气压相当高，通常民用试验室难以实现。

2、自由落体（跌落）冲击法。其具有代表性的产品是美国L.Ａ.Ｂ公司现代产品Autoshock-Ⅱ试验机，其加速下落的最大速度为12.2m/s，最大加速度600g；针对土木工程领域的冲击力试验，该产品的速度及加速度远远不足。

3、飞轮或旋转盘的冲击法。针对土木工程领域的冲击力试验，该方法所能提供的速度及加速度也远远不足。

4、化学炸药爆炸法。该方法能提供的冲击力较大，但由于具有安全隐患，通常难以获得批准。

5、气枪式法（包括：气动式（pneumatic）；弹簧-活塞式（spring-piston）；二氧化碳（CO₂）式）。该方法与化学炸药爆炸法相似，当气枪冲击力够大时，该方法存在较大的安全隐患；但当气枪的使用在安全范围内时，其速度及加速度较小，使得冲击力往往达不到要求。

6、电磁发射器（包括轨道炮、线圈炮----线圈型电磁发射器、重接炮）。目前，该方法的使用要么的在对场地规模有一定要求的军事系统中实现，要么针对是一些冲击体为较小质量、冲击能量及速度较低的情况实现。在目前民用及工业行业内，现有电磁推进技术至少还存在有如下缺陷：

1）民用条件下冲击速度不够大，一般在20m/s以下，个别达到60m/s（高顺受等利用三级线圈将重lkg的弹体加速到60m/s），但仍未能达到通常公认的高速标准（不小于100m/s）；

2）冲击能量及物体质量小（不大于1000g）；

3）冲击加速度不够大；

4）仅能给出水平或近似水平方向推力，不能实现多方向给力；

5）在触发与数据采集等方面的智能控制不够。

还未见集多向、高能、高速冲击智能可控（能量与速度可调）为一身的试验系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对土木工程的室内冲击试验（包括常规室内试样、模型箱试样和室内试验地槽中试样等的力学性质测试），提供一种多向高能高速电磁力冲击智能控制试验装置，该装置可实现较高的冲击能量，且冲击速度及加速度可调，使用灵活方便。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述装置实现的多向高能高速电磁力冲击智能控制试验方法。

本发明的技术方案为：一种多向高能高速电磁力冲击智能控制试验装置，包括电磁铁组件、撞击杆、外套筒、电磁加速线圈和冲击锤，电磁铁组件设于外套筒上方，撞击杆设于外套筒内，冲击锤设于外套筒下方，撞击杆外周设有多级电磁加速线圈，各级电磁加速线圈分别外接电路控制系统（该电路控制系统可采用常规开关电路系统，用于控制各电磁加速线圈的接通或关闭、电流大小、作用启动时间等，从而不仅可以提高撞击杆能量及速度，也可设定或调整不同的能量及速度等级）。

所述电磁铁组件包括电磁铁固定板和吸盘式电磁铁，电磁铁固定板中部设置吸盘式电磁铁，吸盘式电磁铁上设置电磁铁接线柱，电磁铁接线柱外接电路控制系统。通过电路控制系统向吸盘式电磁铁供电或断电，从而使吸盘式电磁铁产生磁力吸住或释放撞击杆。

所述外套筒顶部设置外套筒顶板，外套筒顶板与电磁铁固定板之间通过支撑柱固定连接；设于外套筒内的撞击杆对应位于吸盘式电磁铁下方。

外套筒底部设有外套筒底座，整套试验装置通过外套筒底座固定于支架上，通过外套筒底座及支架的方向调整固定，在与电磁铁组件共同作用下，可实现对任意需要方向进行高速冲击。外套筒底座内所设沉孔还可对撞击杆最终运动位置加以限制（即限位），以防止撞击杆本身对测试介质的直接干挠作用。

作为一种优选方案，所述电磁加速线圈有三级，由上至下分别为一级电磁加速线圈、二级电磁加速线圈和三级电磁加速线圈；外套筒的外壁上设有多个线圈接线柱，各级电磁加速线圈分别通过对应的线圈接线柱外接电路控制系统。根据试验装置和测试对象的实际需要，电磁加速线圈的级数可以酌量增加或减少。

所述撞击杆包括多个磁性段和非磁性段，磁性段和非磁性段交替连接并组成一体式结构，位于撞击杆最顶端的为磁性段。其中，磁性段用于响应其对应的下部电磁线圈作用，非磁性段用于使得磁性段与电磁线圈间有一段距离以产生确定方向的作用力。

所述磁性段的材质为钢或铁，非磁性段的材质为铝。

所述冲击锤包括夯击锤和被撞击杆，被撞击杆固定于夯击锤上；外套筒底部设有外套筒底座，外套筒底座下方设置被撞击杆初始平衡紧固件，被撞击杆初始平衡紧固件内设置沉孔，沉孔的上部供撞击杆落入后限位（即运动位置限定），沉孔的下部供被撞击杆初始定位。

所述被撞击杆初始平衡紧固件上，位于沉孔下部的内壁设有多个弹簧，各弹簧末端设置限位珠，被撞击杆上对应设有多个凹槽；冲击锤的被撞击杆固定于被撞击杆初始平衡紧固件内时，各限位珠嵌于相应的凹槽内，此时，限位珠通过弹簧的弹力对冲击锤起到平衡固定的作用，防止冲击锤由于重力作用自行脱落。根据实际需要，各弹簧的外端还可设置可旋螺栓，用于调节相应弹簧的弹力大小。

所述被撞击杆的上部带有楔形面。楔形面是设置有利于减少冲击锤运动时被撞击杆与被撞击杆初始平衡紧固件之间的摩擦力，降低能量损耗，提高冲击锤的冲击力。

本试验装置可单独使用，通过人工操作实现吸盘式电磁铁及各级电磁加速线圈的通断电，对所检测到的冲击锤冲击力及待测试固体介质所受冲击力的数据采用传统方法进行处理。

本试验装置也可结合计算机智能操作系统使用，从而使其智能化程度更高，计算机智能操作系统可选用美国国家仪器（NI）公司所开发的LabVIEW平台实现。将本装置结合计算机智能操作系统进行待测试固体介质的冲击力测验时，根据待测验的固体介质位置，采用支架将本装置固定，在冲击锤上及待测验的固体介质上分别设置压力传感器，分别采集冲击锤的冲击力及待测验固体介质所受的冲击力并送入计算机智能操作系统，计算机智能操作系统自动生成数据对比并分析，再进行固体介质的受力分析。同时，在测试过程中，可通过计算机智能操作系统控制吸盘式电磁铁、各级电磁加速线圈与电路控制系统的接通或断开，从而控制撞击杆的运动及加速度。

本发明通过上述装置可实现一种多向高能高速电磁力冲击智能控制试验方法，包括以下步骤：

（1）冲击开始前，冲击锤固定于外套筒底部，电路控制系统向电磁铁组件供电，电磁铁组件产生磁力吸住外套筒中的撞击杆，撞击杆底部与冲击锤之间的距离不小于单级电磁加速线圈纵向长度的0.5倍；

（2）冲击开始时，电路控制系统对电磁铁组件断电，电磁铁组件释放撞击杆，使撞击杆运动以撞击冲击锤；

撞击杆运动过程中，电路控制系统向多级电磁加速线圈逐级供电，各级电磁加速线圈放电，逐步提高撞击杆的撞击速度；

（3）撞击杆高速运动至外套筒底部时，撞击冲击锤，使冲击锤脱离外套筒，冲击待测试的固体介质。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本多向高能高速电磁力冲击智能控制试验装置及方法相对于传统冲击试验方法，可更好地应用于土木工程领域的固体介质力学测试，具体表现为：

（1）采用电磁式分级加速撞击杆的运动，可有效提高撞击杆的冲击速度和冲击能量；

（2）通过各级电磁加速线圈的接通或关闭及冲击电量大小的调节控制，实现冲击能量与速度的可控及可调性，可模拟不同量级的冲击；

（3）通过电磁铁组件、外套筒及外套筒底座的配合，可实现对包括竖向在内的任意需要方向进行高速冲击；

（4）底座内所设沉孔可对撞击杆最终运动位置加以限制（即限位），以防止撞击杆本身对测试介质的直接干挠作用；

（5）可将本试验装置结合计算机智能系统实时操作控制，相关高精度定量的力学数据及波形可同步得到并显示及保存，使用方便，智能化程度高；

（6）作为本试验装置的动力源是普通的市电，满足方便、安全、环保等各个方面要求。

（7）经试验证明，本向高能高速电磁力冲击智能控制试验装置已实现冲击杆最大加速度达1万倍重力加速度（即10⁴g≈10⁵m/s²）以上；冲击杆对冲击锤冲击过程中能量损耗后，实测冲击力也达到冲击锤重量的1000倍以上，最大可达冲击锤重量的近3000倍。

附图说明

图1为本多向高能高速电磁力冲击智能控制试验装置的原理示意图。

图2为本多向高能高速电磁力冲击智能控制试验装置的结构示意图。

图3为被撞击杆的俯视图。

图4为被撞击杆与被撞击杆初始平衡紧固件相连接处的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例一种多向高能高速电磁力冲击智能控制试验装置，以装置按竖直方向安置为例，如图1或图2所示，包括电磁铁组件1、撞击杆2、外套筒3和冲击锤4，电磁铁组件设于外套筒上方，撞击杆设于外套筒内，冲击锤设于外套筒下方，撞击杆外周设有多级电磁加速线圈，各级电磁加速线圈分别外接电路控制系统。

电磁铁组件1包括电磁铁固定板1-1和吸盘式电磁铁1-2，电磁铁固定板中部设置吸盘式电磁铁，吸盘式电磁铁上设置电磁铁接线柱1-3，电磁铁接线柱外接电路控制系统。通过电路控制系统向吸盘式电磁铁供电或断电，从而使吸盘式电磁铁产生磁力吸住或释放撞击杆。

外套筒3顶部设置外套筒顶板5，外套筒顶板与电磁铁固定板之间通过支撑柱6固定连接；设于外套筒内的撞击杆对应位于吸盘式电磁铁下方。

外套筒底部设有外套筒底座，整套试验装置通过外套筒底座固定于支架上，通过外套筒底座及支架的方向调整固定，在与电磁铁组件共同作用下，可实现对任意需要方向进行高速冲击。外套筒底座内设沉孔，对撞击杆最终运动位置加以限制（即限位），以防止撞击杆本身对测试介质的直接干挠作用。

作为一种优选方案，如图1所示，电磁加速线圈有三级，由上至下分别为一级电磁加速线圈7、二级电磁加速线圈8和三级电磁加速线圈9；如图2所示，外套筒的外壁上设有多个线圈接线柱10，各级电磁加速线圈分别通过对应的线圈接线柱外接电路控制系统。根据试验装置和测试对象的实际需要，电磁加速线圈的级数可以酌量增加或减少。

撞击杆包括多个磁性段和非磁性段，磁性段和非磁性段交替连接并组成一体式结构，位于撞击杆最顶端的为磁性段。其中，磁性段用于响应其对应的下部电磁线圈作用，非磁性段用于使得磁性段与电磁线圈间有一段距离以产生确定方向的作用力。

作为一种优选方案，其中磁性段的材质为钢或铁，非磁性段的材质为铝。

如图2所示，冲击锤包括夯击锤4-1和被撞击杆4-2，被撞击杆固定于夯击锤上；外套筒底部设有外套筒底座11，外套筒底座下方设置被撞击杆初始平衡紧固件12，被撞击杆初始平衡紧固件内设置沉孔13，沉孔的上部供撞击杆落入，沉孔的下部供被撞击杆初始定位。

如图1或图4所示，被撞击杆初始平衡紧固件上，位于沉孔下部的内壁设有多个弹簧14，各弹簧末端设置限位珠15，如图3所示，被撞击杆上对应设有多个凹槽16；冲击锤的被撞击杆固定于被撞击杆初始平衡紧固件内时，各限位珠嵌于相应的凹槽内，此时，限位珠通过弹簧的弹力对冲击锤起到限位固定的作用，防止冲击锤由于重力作用自行脱落。

本实施例作为一种优选方案，本试验装置结合计算机智能操作系统使用，从而使其智能化程度更高，计算机智能操作系统可选用美国国家仪器（NI）公司所开发的LabVIEW平台实现。将本装置结合计算机智能操作系统进行待测试固体介质的冲击力测验时，根据待测验的固体介质位置，采用支架将本装置固定，在冲击锤上及待测验的固体介质上分别设置压力传感器，分别采集冲击锤的冲击力及待测验固体介质所受的冲击力并送入计算机智能操作系统，计算机智能操作系统自动生成数据对比并分析，再进行固体介质的受力分析。同时，在测试过程中，可通过计算机智能操作系统控制吸盘式电磁铁、各级电磁加速线圈与电路控制系统的接通或断开，从而控制撞击杆的运动及加速度。

如图3或图4所示，被撞击杆的上部带有楔形面。楔形面是设置有利于减少冲击锤运动时被撞击杆与被撞击杆初始平衡紧固件之间的摩擦力，降低能量损耗，提高冲击锤的冲击力。

本实施例通过上述装置可实现一种多向高能高速电磁力冲击智能控制试验方法，包括以下步骤：

（1）冲击开始前，冲击锤固定于外套筒底部，电路控制系统向电磁铁组件供电，电磁铁组件产生磁力吸住外套筒中的撞击杆，撞击杆底部与冲击锤之间的距离不小于单级电磁加速线圈纵向长度的0.5倍；

（2）冲击开始时，电路控制系统对电磁铁组件断电，电磁铁组件释放撞击杆，使撞击杆可运动撞击冲击锤；

撞击杆被释放与冲击的过程中，电路控制系统向多级电磁加速线圈依次由上至下逐级供电，各级电磁加速线圈电磁作用激发，逐步提高撞击杆的撞击速度（可通过各级电磁线圈电路开通与否来调整撞击速度）；

（3）撞击杆冲击至外套筒底部时，撞击冲击锤，使冲击锤脱离外套筒，高速冲击待测试的固体介质；而撞击杆由于沉孔作用，避免进一步的运动。

将本多向高能高速电磁力冲击智能控制试验装置结合控制系统进行冲击力测试时，根据待测试的固体介质所处位置，采用支架将该试验装置固定（其方向可根据需要调节），在冲击锤上及待测试的固体介质上分别设置压力传感器17，分别采集冲击锤的冲击力及待测试固体介质所受的冲击力并送入控制系统自动生成数据对比，再进行固体介质的抗压能力分析。同时，在测试过程中，可通过控制系统控制吸盘式电磁铁、各级电磁加速线圈与电路控制系统的接通或断开，从而控制撞击杆的运动及加速度。

在本实施例中，以采用三级电磁加速线圈为例，即电磁加速线圈组数n=3。电路控制系统采用220V的交流电，经桥式整流器直接整流为直流，直流电压高达450V（可根据需求配元件调整）。450V电压有3个2200μF电容储能（可根据需求配元件调整），然后依次向3组电磁加速线圈放电，各组电磁加速线圈的电阻大约为6～8Ω，最大电流高达50A（可根据需求配元件调整），三级加速的时间间隔由控制系统根据需要精确调整，使冲击杆的速度逐步提高，避免电容过度放电产生反拉力，最终使冲击杆获得最高速度。经实验证明，本实施例的装置实现冲击力为冲击锤重量1000倍以上，最大达近3000倍，瞬间冲击力最高达60000N，最高速度高达210m/S，各级电磁加速线圈与撞击杆末端相应的速度关系见下表：

导通线圈	冲击杆末速度(m/s)
		L1	126
L2	176
		L3	210

另外，可根据需要，通过增加线圈匝数、线圈漆包线直径及电流来加大电磁力及冲击力与冲击速度。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (7)

1.多向高能高速电磁力冲击智能控制试验装置，其特征在于，包括电磁铁组件、撞击杆、外套筒、电磁加速线圈和冲击锤，电磁铁组件设于外套筒上方，撞击杆设于外套筒内，冲击锤设于外套筒下方，撞击杆外周设有多级电磁加速线圈，各级电磁加速线圈分别外接电路控制系统；电路控制系统采用220V的交流电，经桥式整流器直接整流为直流，直流电压为带有3个2200μF电容储能的450V电压；

所述撞击杆包括多个磁性段和非磁性段，磁性段和非磁性段交替连接并组成一体式结构，位于撞击杆最顶端的为磁性段；

所述冲击锤包括夯击锤和被撞击杆，被撞击杆固定于夯击锤上；外套筒底部设有外套筒底座，外套筒底座下方设置被撞击杆初始平衡紧固件，被撞击杆初始平衡紧固件内设置沉孔，沉孔的上部供撞击杆运动至底部后限位，沉孔的下部供被撞击杆初始定位；

所述被撞击杆初始平衡紧固件上，位于沉孔下部的内壁设有多个弹簧，各弹簧末端设置限位珠，被撞击杆上对应设有多个凹槽；冲击锤的被撞击杆固定于被撞击杆初始平衡紧固件内时，各限位珠嵌于相应的凹槽内。

2.根据权利要求1所述多向高能高速电磁力冲击智能控制试验装置，其特征在于，所述电磁铁组件包括电磁铁固定板和吸盘式电磁铁，电磁铁固定板中部设置吸盘式电磁铁，吸盘式电磁铁上设置电磁铁接线柱，电磁铁接线柱外接电路控制系统。

3.根据权利要求2所述多向高能高速电磁力冲击智能控制试验装置，其特征在于，所述外套筒顶部设置外套筒顶板，外套筒顶板与电磁铁固定板之间通过支撑柱固定连接；设于外套筒内的撞击杆对应位于吸盘式电磁铁下方。

4.根据权利要求1所述多向高能高速电磁力冲击智能控制试验装置，其特征在于，所述电磁加速线圈有三级，由上至下分别为一级电磁加速线圈、二级电磁加速线圈和三级电磁加速线圈；外套筒的外壁上设有多个线圈接线柱，各级电磁加速线圈分别通过对应的线圈接线柱外接电路控制系统。

5.根据权利要求4所述多向高能高速电磁力冲击智能控制试验装置，其特征在于，所述磁性段的材质为钢或铁，非磁性段的材质为铝。

6.根据权利要求1所述多向高能高速电磁力冲击智能控制试验装置，其特征在于，所述被撞击杆的上部带有楔形面。

7.根据权利要求1～6任一项所述装置实现一种多向高能高速电磁力冲击智能控制试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)冲击开始前，冲击锤固定于外套筒底部，电路控制系统向电磁铁组件供电，电磁铁组件产生磁力吸住外套筒中的撞击杆，撞击杆底部与冲击锤之间的距离不小于单级电磁加速线圈纵向长度的0.5倍；

(2)冲击开始时，电路控制系统对电磁铁组件断电，电磁铁组件释放撞击杆，使撞击杆运动撞击冲击锤；

撞击杆运动过程中，电路控制系统向多级电磁加速线圈逐级供电，各级电磁加速线圈放电，逐步提高撞击杆的撞击速度；

(3)撞击杆运动至外套筒底部时，撞击冲击锤，使冲击锤脱离外套筒，高速冲击待测试的固体介质。